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海上石油平台电站管理系统设计探究

发布时间:2018-06-07
海上石油平台电网电站系统设计摘要
  
  随着海洋石油平台电网规模的增大, 一般情况下, 一个海洋区域电网有可能涉及多个电站 (中心平台) 及用电平台 (井口平台) .电站运行方式多样, 用电设备数量多, 运行工况复杂, 电站管理工作极为复杂。EMS (Electrical management system) 即电站管理系统, 已广泛应用于海洋石油平台, 主要作用是根据现场实际负荷需求, 有效管理电站中投入发电机的数量和功率, 使得发电机输出经济效益最大化, 碳排放量最小化。所以, 完善的设计方案对海洋石油平台电网的安全运行也就显得尤为重要。

海上石油平台
  
  1、电力组网的构成
  
  本开发项目电力组网共涉及Ⅰ期油田七个平台和Ⅱ期油田四个新平台。
  
  Ⅰ期油田主要包括Ⅰ期S CEP、Ⅰ期S WHPA、Ⅰ期S WHPB三个平台。Ⅰ期S CEP与Ⅰ期S WHPA通过栈桥连接, 电力及通信经过通过栈桥的电缆和光纤传输;Ⅰ期S CEP与Ⅰ期S WHPB间连接海缆, 电力及通信通过海缆传输;Ⅰ期CEP、Ⅰ期WHPA两个平台及Ⅰ期J CEPA、Ⅰ期J WHPB两个平台, Ⅰ期CEP与Ⅰ期WHPA栈桥连接, 电力及通信经过通过栈桥的电缆和光纤传输, Ⅰ期J CEPA、Ⅰ期J WHPB与Ⅰ期S CEP间连接海缆, 电力及通信通过海缆传输。
  
  Ⅱ期油田包括综合处理平台Ⅱ期S CEPF、井口平台Ⅱ期S WHPC、Ⅱ期S WHPD和Ⅱ期S WHPE, 其中Ⅱ期S CEPF与井口平台Ⅱ期S WHPE通过栈桥连接, 电力及通信经过通过栈桥的电缆和光纤传输;井口平台Ⅱ期S WHPC和Ⅱ期S WHPE间连接海缆, 电力及通信通过海缆传输;Ⅱ期S WHPD和Ⅱ期S WHPE间连接海缆, 电力及通信通过海缆传输。
  
  该油气田有三个电站, 分别设在三个平台上---Ⅰ期CEP (两台发电机) 和Ⅰ期S CEP (四台发电机) 、Ⅱ期S CEPF (三台发电机) , 其余井口平台均为受电平台, 与对应的CEP平台通过海缆或电缆连接, 接受电力和通信。平台分布图如图1所示。
  
  本项目Ⅰ期S CEP平台的EMS工作站作为全网的EMS中心站, 可对其他各平台的设备进行远方遥控;其他各平台的主机/操作员工作站经授权, 也要求具备中心站功能, 以便在Ⅰ期S中心站失效情况下, 承担中心站的任务。
  
  2、EMS系统的功能要求及控制内容
  
  本油田群内多电站组网运行, 提高了区域供电稳定性, 降低了生产平台孤网供电的断电风险, 可根据生产平台实际运行负荷, 合理调整发电机运行数量和输出功率, 使发电机高效运行, 降低能耗。综合考虑现有海上平台用电负荷需求和海底电缆长度, 海上平台基本使用35 k V进行电力组网。组网设施硬件主要包括:35 k V变压器、海底电缆、电抗器、电阻器、电容器、EMS系统等, 其中EMS系统是电力组网的中枢系统, EMS系统的好坏直接影响电力组网的安全性和稳定性。
  
  图1 平台分布图
  
  EMS系统至少需具备以下功能:
  
  (1) 监控组网硬件状态。对组网设备进行数据采集和安全监视 (SCADA) 、频率 (有功) 调整和控制、电压 (无功) 调整和控制, 掌控电网中潮流走向, 对电网进行整体保护。
  
  (2) 监控各电站内发电机。对发电机进行数据采集和安全监视 (SCADA) 、频率 (有功) 调整和控制、电压 (无功) 调整和控制, 根据电网内实际运行负荷多少和潮流方向有效控制各电站中发电机运行台数、功率输出, 使发电机高效运行, 减少燃料浪费。
  
  (3) 对电网内用电设备状态进行数据采集和安全监视 (SCADA) , 根据电网容量控制用电设备的投入, 有效抑制大设备的启动, 对突发事件进行优先脱扣控制, 保证整个电网稳定安全。
  
  对于EMS信息处理层的要求:具备数据采集、数据处理、控制和调节、保存历史数据、接受调度员操作、记录事件和发出告警、形成趋势曲线、事件追忆、SOE功能, 对于保护功能实现有效闭锁和解锁, 对于发电和用电可进行量测, 根据电网潮流模式自动平衡;另外, EMS主站和子站应具有打印输出功能。
  
  3、本项目中EMS分布
  
  如图2所示, 本开发项目Ⅰ期油田:Ⅰ期S CEP设置主站, Ⅰ期S WHPA设置二级子站, Ⅰ期S WHPB设置二级子站;Ⅰ期CEP设置一级子站, Ⅰ期WHPA及Ⅰ期J CEPA、Ⅰ期J WHPB分别设置二级子站;Ⅱ期油田:Ⅱ期S CEPF设置一级子站, Ⅱ期S WHPC、Ⅱ期S WHPD和Ⅱ期S WHPE分别设置二级子站。主站与子站之间通过光纤和组网复合海缆中的光纤连接。
  
  图2 EMS分布框图
  
  4、控制实现方式
  
  单平台中电气设备分布较为零散, 控制网络特别是站控层网络必须满足本项目电网调节的实时性要求, 所有关键数据的传输必须能在不中断任何系统通信的条件下优先传送。环装EMS控制系统框图如图3所示。
  
  图3 环装EMS控制系统框图
  
  本框图适用于EMS主站, 通常设于有电站平台。对于非主站无数据库服务器、服务器的中心平台及井口平台可不设置工程师站。电站、各电压等级盘柜、海缆等可根据项目实际情况调整配置。
  
  (1) 本框图采用远程I/O柜形式。远程I/O柜安装于系列盘中, 一般建议安装于母联柜或PT柜内, 与一次设备隔离, 以节省盘柜数量, 避免电磁干扰。
  
  (2) 主通信网络通常采用以太网TCP/IP通信协议或IEC61850通信协议。
  
  (3) I/O单元与各间隔层设备间可采用以太网接口, Modbus TCP/IP通信协议或IEC61850通信协议。也可根据项目特点选用其他形式:如规模较小的系统可选用RS485/Modbus RTU;根据智能MCC情况可选用Device Net、Profibus等形式。
  
  (4) 与主发电机接口型式及协议由EMS与发电机厂家协商确定, 通常为以太网TCP/IP协议。
  
  (5) 低压负载中功率在100 k W及以上的可由EMS直接通过硬线完成卸载控制;其他负载的卸载控制由EMS通过硬线发控制信号至CCS, 由ESD实现分组卸载, 运行状态从CCS读取, 与CCS间通信可采用RS485/Modbus RTU形式。
  
  (6) 配电盘柜与EMS间信号:分合闸、合闸抑制等控制信号采用硬接线;开关状态、各故障/报警状态、开关小车位置、接地开关状态等状态信号可通过硬接线, 也可通过多功能继电器转换后通过通信线采集;模拟量信号由多功能测量仪表/多功能继电器经通信线采集。
  
  (7) 变压器与EMS间信号:有载调压升降档控制信号采用硬接线;有载调压开关状态、风机状态、故障/报警信号等状态信号可通过硬接线, 也可通过盘柜多功能继电器转换后通过通信线接入;变压器温控器数据经通信线采集。
  
  (8) 发电机与EMS间信号:调压调速控制信号采用硬接线;运行状态、故障/报警信号等状态信号可通过硬接线;转速、温度等模拟量数据经通信线采集。
  
  5、结语
  
  根据海上石油发展现状, 单个石油平台用电负荷小, 距离海岸线较远, 使用陆地大电网供电的经济费用较高, 因此海上石油平台之间通过海底复合海缆组成区域电网逐渐成为主流, 希望此次电力组网能为以后的组网形式提供借鉴, 使得海上区域电网更加安全、稳定。
  
  参考文献:
  
  [1]翟丹丹。海上平台复杂电力组网的应用[J].油气田地面工程, 2018, 37 (2) :70-74.  
  [2]李强, 李鑫, 魏澈。海上油气田群电力组网技术[J].中国造船, 2011, 52 (S1) :218-223.  
  [3]吴锋, 胡辉, 胡鹏, 等。海上油气田电力组网技术研究与实践[J].中国海上油气, 2010, 22 (1) :54-58.
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